毕业设计（论文）-12Cr2Ni4高负载齿轮热处理工艺设计.doc

攀枝花学院学生课程设计（论文）题 目： 12Cr2Ni4高负载齿轮热处理工艺设计 学生姓名： XXX 学 号： 2011111020XX 所在院(系)： 材料工程学院 专 业： 2011级材料成型及控制工程 班 级： 材料成型及控制工程 指 导 教 师 XXX 职称： 讲 师 2013年12月28日攀枝花学院教务处制攀枝花学院本科学生课程设计任务书题目12Cr2Ni4高负载齿轮热处理工艺设计1、课程设计的目的使学生了解、设计12Cr2Ni4高负载齿轮的热处理工艺，融会贯通相关专业课程理论知识，培养学生综合运用所学知识、分析问题和解决问题的能力。2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）内容 ：（1）明确设计任务（包括用途、服役条件及性能要求）（2）绘出热处理件零件图（3）给出设计方案（4）写出设计说明（5）设计质量检验项目（6）设计热处理工艺卡片（7）12Cr2Ni4高负载齿轮的热处理缺陷及预防或补救措施要求：（1）通过查找资料充实、完善各项给定的设计内容。（2）分析热处理过程中可能出现的缺陷，针对这些缺陷提出预防措施或补救措施。（3）提交设计说明书（报告），2千字以上。报告格式请参照“毕业论文（设计）”格式。3、主要参考文献1 夏立芳主编. 金属热处理工艺学. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 20052 中国机械工程学会热处理分会热处理工程师手册机械工业出版社2003第一版.3 张玉庭主编热处理技师手册机械工业出版社2006第一版4 中国机械工程学会热处理学会热处理手册机械工业出版社2003第三版.4、课程设计工作进度计划第十四周：对给定的题目进行认真分析，查阅相关文献资料，做好原始记录。第十五周：撰写课程设计说明书，并进行修改、完善，提交设计说明书。指导教师（签字）日期年 月 日教研室意见：年 月 日学生（签字）： 接受任务时间： 年 月 日注：任务书由指导教师填写。 课程设计（论文）指导教师成绩评定表题目名称评分项目分值得分评价内涵工作表现20%01学习态度6遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。02科学实践、调研7通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。03课题工作量7按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。能力水平35%04综合运用知识的能力10能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。05应用文献的能力5能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。06设计（实验）能力，方案的设计能力5能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。07计算及计算机应用能力5具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。08对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）10具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。成果质量45%09插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度5符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。10设计说明书（论文）质量30综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。11创新10对前人工作有改进或突破，或有独特见解。成绩指导教师评语指导教师签名： 年月日攀枝花学院本科课程设计（论文） 摘要摘 要 本课设计了12Cr2Ni4高负载齿轮热处理工艺设计。主要的工艺过程包括锻造、预备热处理（完全退火）、渗碳、淬火+低温回火等过程。通过各种不同的工艺过程进行恰当的处理可以获得各种性能良好的材料并且满足各项性能的要求。12Cr2Ni4强度高、韧性好、淬透性良好，渗碳淬火后表面层硬度及耐磨性都好，冷变形时塑性好，切削性尚好，但有白点敏感性及回火脆性，焊接性较差。用作高负荷、交变应力下工作的大型渗碳件，如受高负荷的各种齿轮、蜗轮、蜗杆、轴等机械结构件。高负载齿轮是机床中重要的传动部件。其将机床电动机和机床主轴联结起来，将动力和扭矩由电机传递到主轴，从而使主轴转动以加工工件。其主要作用是通过变速装置调节主轴转速和扭矩，从而使电机运行在最佳的状态1。关键词：12Cr2Ni4 ，完全退火，低温回火，机床变速箱攀枝花学院本科课程设计（论文） 目录目 录摘 要1、设计任务11.1设计任务11.2设计的技术要求12、设计方案22.1 12CrNi4高负载齿轮热处理工艺设计的分析22.1.1工作条件22.1.2失效形式22.1.3性能要求22.2钢种材料33、设计说明43.1加工工艺流程43.2具体热处理43.2.1预备热处理工艺53.2.2渗碳工艺53.2.3淬火+低温回火热处理工艺64、分析与讨论85、结束语96、热处理工艺卡片10参 考 文 献11攀枝花学院本科课程设计（论文） 1 设计任务1 设计任务1.1设计任务12Cr2Ni4高负载齿轮热处理工艺设计1.2设计的技术要求 12Cr2Ni4强度高、韧性好、淬透性良好，渗碳淬火后表面层硬度及耐磨性都好，冷变形时塑性好，切削性尚好，但有白点敏感性及回火脆性，焊接性较差。用作高负荷、交变应力下工作的大型渗碳件，如受高负荷的各种齿轮、蜗轮、蜗杆、轴等机械结构件。因此，为满足其在制造机床上的寿命要求，应提高其硬度。由于变速箱的齿轮是属于闭式齿轮，那么它的主要失效形式为齿面点蚀和轮齿的弯曲疲劳折断。当采用软齿面（齿面硬度350HBS）时，其齿面接触疲劳强度相对较低。因此，一般应首先按齿面接触疲劳强度条件，计算齿轮的分度圆直径及其主要几何参数（如中心距、齿宽等），然后再对其轮齿的抗弯曲疲劳强度进行校核。当采用硬齿面（齿面硬度350HBS）时，则一般应首先按齿轮的抗弯曲疲劳强度条件，确定齿轮的模数及其主要几何参数，然后再校核其齿面接触疲劳强度2。 在对12Cr2Ni4进行热处理时，即去应力退火，淬火和高温回火时应严格按照卡片所列出的时间进行保温以及其它操作的要求。1攀枝花学院本科课程设计（论文） 2 设计方案2 设计方案2.1 12Cr2Ni4高负载齿轮热处理设计的分析2.1.1工作条件改善可加工性。一般在调质状态下使用。用于制造承受重载荷或冲击载荷的零件，以及在热锻与热冲压中承受大的动、静载荷的重要零件，汽轮机叶轮，转子轴、重要紧固件等合金结构钢12Cr2Ni4高级渗碳钢，具有高的强度、韧性和良好的淬透性。渗碳淬火后表面硬度和耐磨性很高，同时心部在良好的强度及韧性。有白点敏感性及回火脆性倾向。可加工性尚好，冷变形塑性中等，焊接性差，焊前需预热。一般在渗碳及二次淬火，低温回火后使用。用于制造截面较大且承受载荷、交变应力下工作的重要渗碳零件，如承受重载荷的齿轮、蜗轮、蜗杆、轴、方向接着叉等；也可不经渗碳而经淬火及低温回火后使用，用于制造高强度、高韧性的机械零件。合金结构钢20Cr2Ni4钢的强度、韧性及淬透性均高于12Cr2Ni4钢，渗碳后不能直接淬火，而在淬火前需进行一次的高温回火。冷变形塑性中等，可加工性尚可，焊接性差，应预热。白点敏感性大，有回火脆性倾向。用于制造比12Cr2Ni4钢性能要求更高的大截面渗碳件，如大型齿轮、轴类等；也常用于制造要求强度高、韧性好的调质零件。此钢为优质渗碳钢，但更适合在调质状态下使用。合金结构钢20CrNiMo此钢系引进美国AISI/SAE标准的钢号8720.淬透性能与20CrNi钢相近，强度比20CrNi钢高用于制造中小型汽车、拖拉机的发动机和传动系统的毫无例外也可代替12CrNi3钢制造要求心部性能较高的渗碳和碳氮共渗零件，如石油钻探和冶金采矿用的牙轮钻头的牙爪和牙轮体合金结构钢40CrNiMoA具有高强度、高韧性和良好的淬透性，并有抗过热的稳定性，白点敏感性高，有回火脆性倾向。钢的焊接性很差，焊前需经高温预热，焊后要时行削除应力处理。一般在调质状态使用，也可在低温回火后或等温淬火后作为超高强度钢使用。用于制造要求韧性好、强度高及大尺寸的重要调质零件，如重型机械中承受高载荷 的、直径大于250mm的汽轮机轴、叶片、高载荷 的传动件、紧固件、曲轴、齿轮等；也可用于工作温度超过400的转子轴和叶片等。此外还可以进行渗氮处理制造特殊性能要求的重要零件合金结构钢45CrNiMoA钢的淬透性高，经调质处理后其强度和综合力学性能均优于40CrNiMoA钢。由于具有一定的韧性，可用于成形加工，但冷变形塑性与焊接性较低，耐蚀性较差。受回火温度的影响，零件工作温度不宜过高，通常均在淬火、低温（或中温）回火后使用.用于制造要求强度高或承受高载荷、大尺寸的重要零件，如飞机发动机曲轴大梁、起落架、中小型火箭壳体和压力容器等高强度结构部件。在重型机器中，用作重载荷的扭力轴、变速器轴、摩擦离合器轴等。还可经淬火及低（中）温回火后用作超高强度钢合金结构钢18Cr2Ni4W具有高的强度、韧性和良好的淬透性，力学性能优于12Cr2Ni4钢，是含镍较高的高级钢种。经渗碳及二次淬火并低温回火后，表面有较高的硬度和耐磨性，有很高的强度和韧性。但工艺必能较差，锻造时变形抗力较大，锻件正火后硬度较高，需轻长时间高温回火才能软化。可加工性较差。一般在渗碳后淬火及回火使用，也可在调质处理后使用。用于制造要求高强度、良好韧性及缺口敏感性低的大截面渗碳零件，如大型齿轮、传动轴、曲轴、花键轴、活塞销、精密机床上控制进刀的蜗轮等；也可用于制造承受重载荷 与振动的高强度调质件，如重型或中型机械的连杆、曲轴、变速器等。经调质后再作渗氮处理，可用作大功率高速发动机的曲轴。合金结构钢25Cr2Ni4WA综合力学性能良好，具耐较好高的工作温度，其性能与用途可与18Cr2Ni4W钢相互参照，但各有偏重。2.1.2失效形式主要失效形式为齿面点蚀和轮齿折断。齿面点蚀。齿轮传动过程中，齿轮接触面上各点的接触应力呈脉动循环变化，经过一段时间后，会由于接触面上金属的疲劳而形成细小的疲劳裂纹，裂纹的扩展造成金属剥落，形成点蚀。轮齿折断。最常见的是弯曲疲劳折断、过载折断。轮齿受力后,在齿根部产生的弯曲应力最大,且在齿根过渡圆角处有应力集中。如果轮齿的交变应力超过了材料的疲劳极限,在齿根圆角处将产生疲劳裂纹,随着裂纹不断扩展。2.1.3性能要求为了保证齿轮的正常工作，齿轮应具备以下主要性能：（1）高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，出材料本身性能外，还可依靠齿轮的表面强化来实现。（2）齿面具有高的硬度和耐磨性，以防止粘着磨损和磨粒磨损。耐磨性的提高，主要依靠表面硬度和降低摩擦因数来实现。（3）齿轮心部具有足够的强度和韧性，以提高齿轮的承载能力。此外还要求齿轮具有高的传动精度，材料剧有较好的切削加工性及热处理工艺性等。12Cr2Ni4高负载齿轮其强度高、韧性好、淬透性良好，渗碳淬火后表面层硬度及耐磨性都好，冷变形时塑性好，切削性尚好，但有白点敏感性及回火脆性，焊接性较差。用作高负荷、交变应力下工作的大型渗碳件，如受高负荷的各种齿轮、蜗轮、蜗杆、轴等机械。12Cr2Ni4高负载齿轮力学性能：抗拉强度 b (MPa)：375，屈服强度 s (MPa)：225，伸长率 5/（%）：27，断面收缩率 /（%）：55。 2攀枝花学院本科课程设计（论文） 2 设计方案2.2钢种材料常用齿轮的材料有：渗碳钢（如20CrMnTi、20Mn2B、12CrNi3等）；中碳调质钢（如45、40Cr、40Mn13、50Mn2等）；球墨铸铁（QT6003等）。12Cr2Ni4高负载齿轮优质碳素结构钢的S，P杂质含量比普通碳素结构钢要低些，一般在0.035%（质量分数）以下。按碳含量由低到高可分为低碳钢，中碳钢和高碳钢；按锰含量不同可分为普通含锰量和较高含锰量两类。12Cr2Ni4高负载齿轮是一种低碳钢材料，它的延展性、可塑性都是比较好的，由于它的含碳量低(在0.10-0.16%之间)所以，硬度比较低。另外，由于12Cr2Ni4高负载齿轮的含碳量低，对这样的材料制成的零件在进行热处理提高其硬度比较困难。化学成份： 碳 C ：0.100.16 硅 Si：0.170.37 锰 Mn：0.300.60 硫 S ：允许残余含量≤0.035 磷 P ：允许残余含量≤0.035 铬 Cr：1.251.65 镍 Ni：3.253.65 铜 Cu：允许残余含量≤0.030力学性能： 抗拉强度 b (MPa)：≥1080(110) 屈服强度 s (MPa)：≥835(85) 伸长率 5 (%)：≥10 断面收缩率 (%)：≥50 冲击功 Akv (J)：≥71 冲击韧性值 kv (J/cm)：≥88(9) 硬度 ：≤269HB 试样尺寸：试样毛坯尺寸为15mm 热处理规范及金相组织： 热处理规范：淬火:第一次860,第二次780,油冷;回火200,水冷、空冷。12Cr2Ni4主要以生产销售12Cr2Ni4合结钢锻件,12Cr2Ni4合结钢锭,12Cr2Ni4合结钢电渣锭,12Cr2Ni4合结钢棒料, 12Cr2Ni4合结钢钢锭锻件钢管钢板方钢钢丝，（价格电议）,12Cr2Ni4合结钢管, 12Cr2Ni4钢板,12Cr2Ni4合结钢圆钢,提供最新12Cr2Ni4合结钢价格，长期有12Cr2Ni4合结钢现货,还包括12Cr2Ni4合结钢锻造、12Cr2Ni4合结钢热轧、12Cr2Ni4合结钢圆钢、12Cr2Ni4合结钢方钢、12Cr2Ni4合结钢板、12Cr2Ni4合结钢卷、12Cr2Ni4合结钢线、12Cr2Ni4合结钢锻件 我们有设备优势、技术优势和价格优势。锻造/热轧/挤压钢材：圆钢/方钢/板/卷/线/锻件/管 圆钢直径：1mm至1000mm 方钢规格：10mm至1500mm 板/扁钢：0.8mm至2000mm;宽度：10mm至4000mm 长度：根据客户的要求; 锻件：台阶轴/桶件/管件/圆饼件/环件/模块/其它异型大型锻件 钢管：外径：6-500mm*壁厚1-100 交货状态：热锻造/热轧+退火/正火/回火/淬火和回火/及根据客户的要求;表面质量：黑皮/磨光/粗车/精车/及根据客户的要求,冶炼工艺：电弧炉+LF炉/VD炉/电渣重熔/真空自耗炉;超声波测试：确保通过超声波探伤合格及根据客户的要求;棒料可完成以下规格：12Cr2Ni4棒材5.5mm-500mm 12Cr2Ni4钢管6*1.0428*28 12Cr2Ni4钢板4-150*310-610*2000-7000 12Cr2Ni4方钢30*30500*500 12Cr2Ni4圆钢锭方钢锭半吨到3吨及各种异形件单重可做到4.2吨 。 33 设计说明3.1加工工艺流程12Cr2Ni4高负载齿轮热处理工艺设计的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的工艺流程: 下料锻造预备热处理(完全退火)机械加工渗碳淬火+低温回火平磨组装。12Cr2Ni4高负载齿轮其成分1如下表3.1.表3.1 12Cr2Ni4高负载齿轮的化学成分（质量分数，%）CMnPSCrNiCuSi0.100.160.300.600.0350.0351.251.653.251.650.0300.170.37成分分析：Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，经固溶处理后有良好的韧性，当受到冲击而变形时，表面层将因变形而强化，具有高的耐磨性；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(s/b),以及疲劳强度和疲劳比(-1/b)等。 硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。3.2具体热处理12Cr2Ni4钢常见的热处理工艺： 热处理工艺，工艺参数，硬度要求，工艺特点。 去应力退火 加热670680，保温，空冷 269HBS 消除残余应力，消除加工硬化 正火 加热880920，保温，空冷 加热温度在Ac3780线之上，细化晶粒，消除组织缺陷，以获得珠光体 少量铁素体组织齿轮工艺零件图3-1 图3-1 齿轮零件工艺图正火工艺曲线见图3-2图3-2 正火工艺曲线图 淬火 加热840880，保温，油冷 5561HRC 加热时Cr、Si、Mn、Ni元素溶入奥氏体中，提高淬透性，改善回火稳定性 回火 加热200600，保温2h，空冷 需避开回火脆性温度区间，以防回火脆性 气体渗碳 加热900920，以0.150.2mm/h计保温时间 加热温度不超过920，以避免晶粒长大渗碳后淬火与回火 淬火：加热820840，保温后油冷 6065HRC 强调表层硬度采用较高温淬火，强调表层韧性采用较低温淬火 加热760810，保温后油冷回火：加热160200，保温2h，空冷 表：5862HRC心：2832HRC 消除残余应力，获得回火马氏体组织气体碳氮共渗 共渗温度840860，出炉油冷 6065HRC 心部保持强韧性的同时，表层获得高的强度、硬度、耐磨性与耐蚀性 回火温度150180，出炉空冷表：5862HRC心：2832HRC12Cr2Ni4结构钢力学性能：齿轮热处理工艺工作条件以及材料与热处理要求 3.2.1预备热处理工艺退火是将偏离平衡状态的金属坯料或零件加热至较高温度，保持一定的时间后通常以相当缓慢的速度冷却，以得到接近于平衡状态组织的各种工艺方法。退火的目的是：a消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化。b消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷。c降低硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。d细化晶粒，均匀组织，为后续热处理做组织准备。e消除钢中的内应力，以防止变形与开裂5。加热温度：Ac3+3050；加热速度：小于200/h；保温时间：2min/mm83.2.2渗碳工艺渗碳是将工件放入渗碳气氛中，并在900950的温度下加热、保温，使其表面层增碳的一种工艺操作。渗碳的目的在于使工件在继续经过相应热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部任保持一定的强度和较高的任性。固体渗碳工艺如图3.36所示。 900950 T 800850 h图3.3 A钢的渗碳工艺曲线53.2.3淬火+低温回火热处理工艺淬火淬火是将钢加热至临界温度点Ac3或Ac1以上一定的度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火。其目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。钢的理想淬火冷却曲线如图3.47所示 Ac3 Ac1 A AP AB Ms图3.4低温回火回火是将淬火钢加热到A1以下某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理操作。其目的在于：a.降低脆性，消除内应力。工件淬火后存在着很大的内应力和脆性，若不及时回火，零件会产生变形或开裂。b.得到对工件所要求的力学性能。工件淬火后，硬度高，脆性大，为了了获得对工件要求的性能，可以用回火温度调整硬度，减小脆性，得到所需要的塑性、强度和硬度。c.稳定工件尺寸。淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，这两种组织都是不稳定的，会自发地逐渐地发生组织转变，因而引起工件尺寸和形状的改变。通过回火，可以促使这些组织转变。达到较稳定状态，以便在以后的使用过程中不发生变形8。6回火规范如表3.2 9。 表3.5 A回火规范表 方案 淬火温度 / 回 火用 途 加热温度/ 介质硬度HRC 10201040 消除应力 去除应力，降低硬度去除应力，降低硬度150170 200275 400425 油或硝盐 6163 5759 5557 11151130 去除应力及形成二次硬化 去除应力及形成二次硬化 去除应力及形成二次硬化 510520多次回火 -78冷处理加510520一次回火 -78冷处理加一次510520回火，再-78冷处理 6061 6061 61623.2.5物理性能经过上述各种热处理后A钢的韧性、硬度、耐磨性都有所甚至很大的提升。图3-2 高负载齿轮实图7攀枝花学院本科课程设计（论文） 4 分析与讨论4 分析与讨论 12Cr2Ni4高负载齿轮热处理工艺设计已经在前面展示，单就其性能以及热处理的过程想必是没多大问题，若放入实际生产中有很多不可预知的问题，因此，不能纸上谈兵须得到工厂或者实验室中反复的通过实验数据进行分析，然后在得出最重要的结论用于实践中，从而在生产中减低成本、提高效率并且减少工时，降低能源消耗。8攀枝花学院本科课程设计（论文） 5 结束语5 结束语 这次 12Cr2Ni4高负载齿轮热处理工艺设计的完成，让我不仅通过自己的努力大致了解了 12Cr2Ni4高负载齿轮热处理工艺设计的制作流程，还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。 12Cr2Ni4高负载齿轮热处理工艺是协助变速箱完成对机床的转动提供动力，所以